Mit IO-Link Wireless zum Erfolg

Für industrielle Anwendungen ist die traditionelle Lösung die kabelgebundene Kommunikation, die hohe Zuverlässigkeit und geringe Latenzzeiten bietet. Kabel schränken jedoch die Flexibilität und Agilität von Maschinen ein, sind teuer im Unterhalt, können sich verschlechtern und brechen. Vor allem aber: sie können nicht mit Bewegungssteuerungen verwendet werden, die sich schnell bewegen oder drehen. Herkömmliche drahtlose/funkbasierte Kommunikation ist ungeeignet, da sie die strengen industriellen Anforderungen an Zuverlässigkeit, Latenz und Skalierbarkeit für die Steuerung und Überwachung nicht erfüllen kann. Das bedeutet, dass Industrie 4.0 eine industrietaugliche funkbasierte Kommunikation benötigt, die auch in rauen Umgebungen bestehen kann. In diesem Beitrag besprechen wir einen solchen Ansatz: IO-Link Wireless.

Zuverlässig und deterministisch

IO-Link Wireless arbeitet im nicht lizenzierten 2,4GHz-ISM-Band (Industrial, Scientific, Medical). Es kommuniziert mit GFSK-HF-Modulation (Gaussian Frequency Shift Keying), die aufgrund ihrer konstanten Hüllkurve immun gegenüber Metall- und Multi-Path-Fading-Effekte ist. Sie beschränkt die Emissionen auf ein schmales Spektralband und macht die Einrichtungen immuner gegen Rauschen und Störungen. Das Protokoll bietet eine Zuverlässigkeit von 10-9 Cycle Error Rate, was um mehrere Größenordnungen besser ist als bei anderen funkbasierten Standards wie WLAN, Zigbee und Bluetooth und der Zuverlässigkeit von Kabeln entspricht. Ein IO-Link-Master (W-Master) kann bis zu fünf Funk-Transceiver (Tracks) abdecken, die jeweils bis zu acht IO-Link-W-Devices unterstützen, so dass sich die Anzahl der Geräte pro W-Master auf bis zu 40 erhöht. Die W-Master-Tracks kommunizieren gleichzeitig auf verschiedenen Frequenzen und ermöglichen so eine optimale Netzauslastung. Bei größeren Netzwerken können mehrere IO-Link Wireless Master nebeneinander zum Einsatz kommen. IO-Link Wireless lässt sich auch als Nachrüstoption zu bestehenden kabelgebundenen IO-Link-Geräten hinzufügen, indem eine W-Bridge oder ein W-Hub verwendet wird. Das Protokoll ist so konzipiert, dass es durch ein adaptives Frequenzsprungverfahren mit anderen Funknetzen und Störern koexistiert. Der Kanalausschluss wird unterstützt, um mögliche Übertragungskollisionen mit anderen Funksystemen wie WiFi zu vermeiden. Der W-Master steuert den Sendezeitrahmen jedes W-Geräts und garantiert so einen fairen Anteil an der Funkbandbreite. Für kritische Daten wird ein integrierter Mechanismus zur automatisch erneuten Übertragung von Paketen verwendet, um hohe Zuverlässigkeit zu gewährleisten und die Latenz zu minimieren. Diese Funktion obliegt der physikalischen Schicht (PHY) der Funkeinheit. IO-Link Wireless wurde entwickelt, um eine deterministische Kommunikation zu ermöglichen. Dies wird durch die Einhaltung eines strikten Kommunikationszyklus (W-Cycle) und durch die Begrenzung der maximalen Anzahl funkbasierter Geräte, die von einem W-Master bedient werden können, gewährleistet. IO-Link Wireless bietet eine deterministische Latenzzeit von 5ms und unterstützt bis zu 40 Knoten (Sensoren, Aktoren oder I/O-Hubs) pro W-Master.

Systemarchitektur

Bei der Entwicklung eines IO-Link-Wireless-fähigen Geräts können Hersteller je nach ihren Anwendungsbeschränkungen, wie Kosten und Formfaktor, aus verschiedenen Systemarchitekturen wählen. Hier die drei gängigsten Optionen:

• System on Chip (SoC): Die kompakteste Implementierung, bei der sogar die höhere Schicht der IO-Link-Wireless-Protokollfunktionen auf dem SoC ausgeführt wird, was zu einer Ein-Chip-Lösung führt.

• Wireless-Coprozessor: Anspruchsvollere Anwendungen können einen dedizierten Host-Prozessor hinzufügen und den Wireless-SoC als Coprozessor verwenden. Beide ICs sind über UART oder SPI miteinander verbunden.

• System on Module (SoM): Um die Hardware-Entwicklung zu beschleunigen, können Projekte um ein vollständig integriertes und zertifiziertes IO-Link-Wireless-Modul herum aufgebaut werden.

Funk-Subsystem

Das integrierte Funk-Subsystem verfügt über einen dedizierten Arm-M0+-Core für Low-Level-Transceiver-Operationen. Die integrierte Funkeinheit bietet alle Funktionen, die für ein IO-Link-Wireless-Gerät im Industriebereich erforderlich sind, z.B. eine adaptive Verstärkungsregelung im Empfangspfad, einen 10dBm-HF-Leistungsverstärker, eine Empfängerempfindlichkeit von -97,6dBm und umfassende Konfigurierbarkeit der zugrunde liegenden Funk-PHY über eine Hardware-Abstraktionsschicht und eine Software-API. Die Funkeinheit verfügt über eine µs-genaue Zeitsynchronisation, die verschiedene andere Funkeinheiten und Geräte auf dieselbe Zeitbasis einstellt, damit diese mit sehr geringem Jitter arbeiten können. Außerdem bietet sie schnelle HF-Modus- und Kanalumschaltzeiten, die für den IO-Link Wireless W-Cycle erforderlich sind. Darüber steht Low-Level-Unterstützung für Frequenzsprünge und verschiedene andere Mechanismen bereit, die für das IO-Link-Wireless-Protokoll erforderlich sind.

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